三相桥式全控整流电路电力电子课程设计(共24页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 辽宁工程技术大学 电力电子课程设计报告题 目：三相桥式全控整流电路设计学 院：电气与控制工程学院学生 姓名：刘嘉翔专 业：自动化班 级：自动化13-3学 号：指导 教师：张继华完成 时间：2015.12.28 目 录233456 2.4.1 晶闸管的保护电路.7 2.4.2 交流测保护电路.8 2.4.3直流侧阻容保护电路.91111 3.2 KJ004 的工作原理.12 3.3 集成触发器原理图.15161617192021 第1章 概述整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁

2、调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。20世纪70年代以后，主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路的种类有很多，有半波整流电路、单相桥式半控整流电路、单相桥式全控整流电路、三相桥式半控整流电路、三相桥式全控整流电路等。把交流电变换成大小可调的单一方向直流电的过程称为可控整流。整流器的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大

3、小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般可在输入端加接整流变压器，把一次电压U1，变成二次电压U2。由晶闸管等组成的全控整流主电路，其输出端的负载，我们研究是电阻性负载、电阻电感负载。以上负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚，就能改变晶闸管在交流电压U2一周期内导通的时间，这样负载上直流平均值就可以得到控制。 第二章 主电路设计与分析2.1整流电路三相桥式全控整流电路图如下：图2.1三相桥式全控整流电路图(1)三相桥式全控整流电路的特点：一般变压器一次侧接成三角型，二次侧接成星型，晶闸管分共阴极和共阳极。一般1、3、5为共

4、阴极，2、4、6为共阳极。2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。对触发脉冲的要求：1)按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。2)共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。3)同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。UD一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲，可采用两种方法：一种是宽脉冲触发一种是双脉冲触发。晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电

5、压的关系也相同。(2)带电阻负载时的工作情况：1)当a60时，UD波形均连续，对于电阻负载，id波形与UD波形状一样，也连续。 2)当a60时，UD波形每60中有一段为零，UD波形不能出现负值3)带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120(3)晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示 ：表1 晶闸管及输出整流电压时段IIIIIIIVVVI共阴级组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阴级组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压ua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb2.2 三相桥式

6、全控整流电路定量分析(1)当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为： (2)带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：Id=UD/R (3)晶闸管承受最大正向电压为，为变压器二次线电压峰值，即 URM=110=269.4V输出平均电压202.6，负载R为5欧姆，则输出电流Id及触发角a，即Id=UDR=40.52 A 电阻负载，电感触发角,则输出平均电压，即=128.7V2.3 参数设置晶闸管参数桥臂数量：3缓冲电阻：1000欧姆缓冲电容：1e-6F晶闸管的内电阻:0.1欧姆晶闸管的内电感：1e-5H晶闸管正向管压降：1V负载参数电阻负载 电感

7、L=0电阻负载，电感2.4 保护电路 电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压，外因过电压主要来自雷击和系统操作过程等外因。分别介绍如下：操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 为了保护设备安全，必须设置保护电路。保护电路包括过电流与过电流保护，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如R-C阻容吸收回路、

8、限流电感、快速熔断器等；另一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。本例中设计的三相桥式全控整流电路为大功率装置，故考虑第一种保护方案，分别对晶闸管、交流侧、直流侧进行保护设电路的设计。2.4.1 晶闸管的保护电路晶闸管的过电流保护：过电流可分为过载和短路两种情况，可采用多种保护措施。对于晶闸管初开通时引起的较大的di/dt，可在晶闸管的阳极回路串联入电感进行抑制；对于整流桥内部原因引起的过流以及逆变器负载回路接地时可以采用接入快速熔短器进行保护。如图所示串联

9、电感及熔断器抑制回路晶闸管的过电压保护：晶闸管的过电压保护主要考虑换相过电压抑制。晶闸管元件在反向阻断能力恢复前，将在反向电压作用下流过相当大的反向恢复电流。电流变化率产生过电压，即换相过电压。为使元件免受换相过电压的危害，一般在元件的两端并联RC电路。如图所示：并联RC电路阻容吸收回路2.4.2 交流侧保护电路 晶闸管设备在运行过程中会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭，同时设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现，所以要进行过电压保护，可采用如图4-3所示的反向阻断式过电压抑制RC保护电路。整流电路正常工作时，保护三相桥式整流器输出端电压为变压器次级电压的峰值，输出电

10、流很小，从而减小了保护元件的发热。过电压出现时，该整流桥用于提供吸收过电压能量的通路，电容将吸取过电压能量转换为电场能量；过电压消失后，电容经 、 放电，将储存的电场能量释放，逐渐将电压恢复到正常值。反向阻断式过电压抑制RC电路2.4.3 直流侧阻容保护电路直流侧也可能发生过电压，在图4-4中，当快速熔断器熔断或直流快速开关由于直流侧快速开关（或熔断器）切断负载电流时，变压器释放的储能也产生过电压，尽管交流侧保护装置能适当地保护这种过电压，仍会通过导通的晶闸管反馈到直流侧来，为此，直流侧也应该设置过电压保护，用于抑制过电压。直流侧阻容保护 第3章 控制电路设计与分析3.1 触发电路触发脉冲的宽

11、度应保证精华杂关可靠导通（门极电流应大于擎柱电流），触发脉冲应有足够的幅度，不超过门极电压、电流和功率，且在可靠触发区域之内，应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。控制晶闸管的导通时间需要触发脉冲，常用的触发电路有单结晶体管触发电路，设计利用KJ004构成的集成触发器实现产生同步信号为锯齿波的触发电路。晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信

12、号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管具有下面的特性：1） 当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。2） 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。3） 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何变化，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。晶闸管在导通情况下，当主

13、回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。此处就是采用集成触发产生触发脉冲。本系统中选择模拟集成触发电路KJ004，KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。KJ004电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。KJ004组成分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。KJ004触发电路为模拟的触发电路,其组成如下图：图3.1 KJ004触发电路原理图3.2K

14、J004的工作原理如图3-1 KJ004的电路原理图所示，点划框内为KJ004的集成电路部分，它与分立元件的同步信号为锯齿波的触发电路相似。V1V4等组成同步环节，同步电压US经限流电阻R20加到V1、V2基极。在US的正半周，V1导通，电流途径为(+15VR3VD1V1地)；在US负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15VR3VD2V3R5R21(15V)。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|US|0.7V时，V1V3截止，V4从电源十15V经R3、R4取得基极电流才能导通。 电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经

15、V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15VR6C1R22RP1(15V)对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。 V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压uC5、偏移电压UB、移相控制电12 压UC分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6+0.7V时，V6导通。设uC5、UB为定值，改变UC，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。 V7等组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经

16、电阻R7、VD5、V7基充电。当 V6由截止转为导通时，C2所充电压通过 V6成为 V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经 （+15VR25V6地）放电并反向充电，当其充电电压uc2+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25和C2决定。 V8、V12为脉冲分选环节。在同步电压一个周期内，V7集电极输出两个相位差为180的脉冲。脉冲分选通过同步电压的正负半周进行。如在us正半周V1导通，V8截止，V12导通，V12把来自V7的正脉冲箝位在零电位。同时，V7正脉冲又通过二极管VD7，经V9V11放大后输出脉冲。在同步电压负半周，情况刚好相

17、反，V8导通，V12截止，V7正脉冲经 V13V15放大后输出负相脉冲。说明： 1) KJ004中稳压管VS6VS9可提高V8、V9、V12、V13的门限电压，从而提高了电路的抗干扰能力。二极管VD1、VD2、VD6VD8为隔离二极管。 2) 采用KJ004元件组装的六脉冲触发电路，二极管VD1VD12组成六个或门形成六路脉冲，并由三极管V1V6进行脉冲功率放大。 3) 由于 V8、V12的脉冲分选作用，使得同步电压在一周内有两个相位上相差 的脉冲产生，这样，要获得三相全控桥式整流电路脉冲，需要六个与主电路同相的同步电压。因此主变压器接成D，yn11及同步变压器也接成D，yn11情况下，集成触

18、发电路的同步电压USA、USB、USC分别与同步变压器的USA、USB、USC相接 RP1RP3为锯齿波斜率电位器，RP4RP6为同步相位3.3 集成触发器电路图 三相桥式全控触发电路由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块（KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门）及部分分立元件构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可，分别连到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的门极。6路双脉冲模拟集成触发电路图如图3-2所示图3-2集成触发电路图第4章 仿真实验4.1 仿真模型图图4.1 仿真模型图4.2 仿真参数及结果(1)整流变压器输出为110V相电压，电阻负载，整流

19、器输出电压平均为202.6V。输出电压波形、输出电流波形，整流器交流侧电流波形，触发脉冲波形，整流交流测电压波形，输出平均电压的测量。图4.2 阻性负载 (2)三相桥式全控整流电路，电源相电压为220V，整流变压器输出为110V相电压，电阻负载，电感，触发角。则输出电压波形、输出电流波形，整流器交流侧电流波形，触发脉冲波形，整流交流测电压波形，输出平均电压的测量如下图：图4.3 阻感性负载 总结与心得在大学有这种机会很好，课程设计给我一个自学的好机会。这是继数字电子技术课程设计和单片机原理与应用课程设计之后的第三个学科课程设计，这次我的课程设计题目是三相桥式全控整流电路的设计。通过对三相桥式全

20、控整流电路的研究，更了解了整流电路的线路、原理，我知道了许多触发电路，加深了对触发电路的功能了解。还有保护电路，认识了保护电路的重要，并对其深入了研究。在这次电力电子技术课程设计，我们通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较，从而进一步验证了所学的理论知识，检验了我们平时的学习效果。虽然此次课程设计与实际操作分析还有很大的差距，但是它提高了我们综合解决问题的能力，为我们以后的学习打下了基础。通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题，对触发电路、保护电路等都有了更深刻的理解。在设计的过程中，当然也遇到

21、了很多的困难，能过讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。通过解决课程设计的这些难点，与其说是增加了的知识，不如说培养了我们一个积极的心态。当遇到困难时，端正态度，认真地查资料，跟老师和同学讨论，以一个最积极的充满信心的态度，最终总会解决问题。通过这次课程设计，使我懂得了只有课堂知识是远远不够的，只有把所学的知识综合起来，从理论中得出结论，提高自己独立思考的能力，才会对自己的将来有帮助。在设计的过程中发现了自己的不足之处，以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。附录总电路原理图参考文献1 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功

22、率补偿 机械工业出版社，1998 2 倪泽峰，江中华.电路设计与制板PROTEL DXP 典型实例人民邮电出版社，20033 杨宗德.PROTEL DXP电路设计制板入门与提高 人民邮电出版社，20044 王兆安，黄俊.电力电子技术 机械工业出版社，20005 陈治明.电力电子器件基础 机械工业出版社，19926 李国勇，谢克明，杨丽娟.计算机仿真技术与CAD 电子工业出版社，20077 孙树朴等.电力电子技术 中国矿业大学出版社，19998 林渭勋.现代电力电子技术 浙江大学出版社，20029 邵丙衡.电力电子技术 中国铁道出版社，199710 叶斌.电力电子技术习题集 中国铁道出版社，1995专心-专注-专业